A natureza incerta e os altos incentivos econômicos do negócio de refino são forças motrizes para melhorias nos processos de planejamento das refinarias. Decisões tomadas na cadeia do petróleo diferem principalmente na gama de atividades (integração espacial) e no horizonte de planejamento (integração temporal). O objetivo desta tese é abordar o problema da integração da cadeia do petróleo sob incerteza em diferentes níveis de decisão. Modelos de programação matemática tático e operacional são propostos. O modelo tático maximiza o lucro esperado da cadeia de suprimentos e aloca metas de produção para as refinarias considerando restrições logísticas. O modelo operacional maximiza o lucro esperado de cada refinaria determinando a quantidade de material processada por unidade de processo em um dado período. Ambos os modelos são lineares estocásticos de dois estágios, onde a incerteza é incorporada nos parâmetros dominantes de cada nível (preço e demanda no nível tático e suprimento de petróleo e capacidade das unidades no nível operacional). A integração espacial é discutida no nível tático (considerando a cadeia de suprimentos), enquanto a integração temporal é discutida na interação entre os dois níveis. Duas abordagens de integração temporal são consideradas: hierárquica, onde o fluxo de informações é somente do modelo tático para o operacional, e iterativa, onde há retorno do nível operacional para o tático. Um estudo de escala industrial foi conduzido para demonstrar os benefícios da integração em ambiente estocástico. Resultados são oferecidos no contexto de um estudo usando dados da indústria brasileira do petróleo para demonstrar a eficácia das abordagens propostas.